串口調試在CANopen運動控制協議中的應用技術研究

錢 城，陳家新

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

目前，在伺服驅動領域中，PLC變頻器控制逐漸被運動控制器驅動器所取代，因此傳統的用來調試PLC和變頻器的方法已然無法適用。在現今的運動控制系統調試中，往往是通過控制器、驅動器、伺服電機三者聯調實現的[1]。然而，各廠家為了自身利益，主推自家一體化產品，使得不同廠家的控制器和驅動器難以直接互換使用，直接增加了研發的難度，拖慢了研發的時間。對此，各廠家通過PC模擬控制主機，通過CAN分析儀發送相關數據給驅動器，從而調試伺服電機。盡管該方法無需專門配備主機調試，降低了一部分成本，但是性能強大的CAN分析儀同樣價格不菲，而且使用CAN分析儀進行調試必須保證驅動器的CANopen協議通訊正常。

針對上述調試問題，在此，利用驅動器上閑置的串口資源進行系統開發，驅動器直接通過串口與上位機相連接，將調試命令與調試數據直接通過串口發送。這樣不僅無需控制主機的支持，繞開CAN通訊限制，同時不必經常為修改參數而擦除程序重新下載，因此也在一定程度上延長單片機壽命[2]。

1 總體框架

文中首先在STM32F4芯片上實現了CANopen DS402協議從站的運行，進而在從站程序中嵌入了一套基于串口的調試電機的系統。其中，DS402協議從站運行的程序框架如圖1所示。

圖1 CANopen運動控制協議程序框架Fig.1 Program framework of CANopen motion control protoco

從機程序首先對波特率、中斷以及CAN控制器等進行相關初始化，再將設定好的對象字典寫入STM32的內存中去，最后初始化CANopen協議棧。根據協議要求，通訊系統首先進入未準備啟動狀態和預操作狀態，完成系統自檢之后自動進入取消啟動狀態。此時，通訊系統可以接收主機的指令，進入準備啟動狀態、啟動狀態、允許運行狀態和快速停止狀態，并能夠在這些狀態與取消準備狀態之間切換。在任何運行狀態中，一旦出現故障，就會進入到故障響應狀態，并且通過故障狀態進入到取消準備狀態[3]。

由于在CANopen DS402協議中從機的運行狀態復雜，為便于調試，在此利用閑置的串口資源設計了一套調試電機狀態的系統，其原理框架如圖2所示。

圖2 串口調試系統原理框架Fig.2 Principle frame of serial port debugging system

PC端可以通過串口調試工具直接發送命令消息，串口接收到預設的命令之后，會觸發定時器中斷，導致CANopen主程序暫停，轉而執行中斷程序。理論上在任何狀態下，都可以利用中斷程序實現修改CANopen設備的對象字典、切換設備的運行狀態等功能，但是為了保證運動控制的安全性，當設備處于允許運行狀態的時候，調試功能會被限制在一定的范圍內。除了設備的運行狀態信息之外，串口也會將從站設備的初始化信息，故障錯誤信息等發送給上位機，從而使相關人員能更方便地監控設備運行情況、排查錯誤原因。

2 硬件方案設計

STM32F407ZGT6是意法半導體公司開發的一款32位微處理器。這款芯片擁有非常多的片上外設，在此使用了SRAM，Flash，16位定時器、串口、CAN口等資源[4]。

CAN口的外圍硬件電路如圖3（a）所示。STM內部具有CAN控制器，因此外接1個CAN收發器就完成了CAN物理層連接。在此，選用TJA1050收發器；在VCC與GND之間增加1個104電容，可以起到濾波，消除高頻噪聲的作用；在CAN_H和CAN_L之間加上1個終端120 Ω電阻來匹配總線阻抗，以提高數據通信的抗干擾性及可靠行[5]。

由于PC的USB口不遵循TTL電平，因此需要CH340G芯片將USB轉換成TTL電平。串口外圍電路設計如圖3（b）所示。其中，RXD和TXD口分別與STM32的PA9和PA10引腳連接，D+和D-口通過標準的接口與USB相連即可。

圖3 硬件相關電路Fig.3 Hardware correlation circuit

3 調試平臺程序設計

調試平臺使用串口進行通信，串口波特率設為115200，停止位設為1 b，數據位設為8 b，奇偶校驗選擇無。上位機可以使用任意的串口調試軟件。

3.1 調試系統人機交互設計

系統啟動后會顯示調試的幫助信息，幫助信息中包含2個指令：help和list指令。help指令可以隨時獲得調試的幫助信息；list指令可以顯示當前可用的函數名和列表。

函數中存在常量UART_USE_HELP，其值默認設置為1，這樣一旦系統開始運行，幫助信息界面就會顯示；如果對幫助系統比較熟悉，可以將其改為0。另外，list中的函數并不是要進入list界面之中才能使用。在系統啟動之后，隨時可以輸入list中的函數進行調用。

3.2 CANopen系統狀態顯示設計

由于CANopen中運行狀態復雜，顯示當前的運行狀態是非常必要的。系統內部顯示流程如圖4所示。

圖4 顯示流程Fig.4 Display flow chart

一旦STM32外設初始化之后，會顯示CANopen系統的基本信息。隨著CANopen協議棧初始化的完成，節點號、CAN控制器、對象字典以及CANopen各項服務的初始化信息也會在界面上進行顯示。在STM32和協議棧初始化時，如果程序發生錯誤，界面上會顯示錯誤信息，程序也會停止運行。當設備開始運行之后，運行狀態只有改變之后才會才上位機上顯示。運行狀態出現錯誤會使得設備進入故障響應狀態，并不會使程序停止運行，上位機也會及時顯示當前的錯誤信息以及運行狀態。

3.3 電機狀態參數修改

CANopen DS402協議的運動控制相關參數均保存在對象字典里，因此利用串口對相關的對象字典進行寫操作即可修改CANopen運行中的參數。為了方便調試，可用的修改指令都添加在list指令之下，調試人員可以按照list所顯示的函數清單通過編寫好的函數進行相關參數的修改。文中針對運動控制中一些常用的參數進行了修改程序的編寫，可修改的相關參見表1。

表1 常用參數Tab.1 Common parameter

4 系統功能驗證

上位機通過串口調試軟件與STM32進行串口通訊，實現了初始化顯示、人機交互以及修改參數的功能。完成串口程序設置后打開串口，就會進入初始化顯示。

4.1 系統初始化顯示

初始化顯示信息如圖5所示。首先顯示項目名稱，使用人信息以及系統版本號。其次顯示初始化節點信息和CANopen各項服務的初始化信息，至此就開始等待主機通訊。在等待主機通訊的同時進行自檢，直至設置完成PDO，SDO的通道，從機可對主機命令進行執行與應答操作，狀態機也將從未準備啟動狀態切換到準備啟動狀態。

4.2 人機交互界面

人機交互界面中help指令和list指令顯示的信息如圖6所示。在初始化完成之后的任何時間都可以直接使用這2個指令。help指令會呼出幫助界面，方便調試者了解系統的幫助指令；list指令會呼出系統所有可用的函數命令以及調用命令的格式，無需調試人員記住所有調用的函數及其格式。幫助系統并非僅支持這2個指令，使用者還可以按照自己的想法，在程序里定義的結構體變量sys_cmd_tab中，添加幫助指令及其功能。

4.3 電機狀態修改驗證

修改參數功能是利用STM32的中斷，對CANopen程序中對象字典的相關參數進行讀寫操作，從而達到上位機直接修改進行調試的目的。因此可以通過讀取對象字典中相應的參數來對此功能進行驗證。

圖5 初始化顯示信息Fig.5 Initialize display information

圖6 人機交互顯示信息Fig.6 Human-computer interaction display information

在系統啟動之后，利用傳統的CAN分析儀通過SDO服務來讀取相關對象字典，讀取的各參數初始值如圖 7（a）所示。

在CANopen協議中，數據位第1個字節為功能碼，第2和第3字節為對象字典主索引，第4字節為子索引，之后的4個字節為傳輸的數據位[6]。因此，由圖可見，程序初始化后初值除電機狀態、實際轉矩、軌跡速度之外全部為0。

在獲得初值之后，上位機通過串口調試軟件，利用調試系統對相關參數進行修改，修改界面及相關參數值如圖7（b）所示。由于CANopen通訊中所有參數為16進制數，因此在輸入參數時程序中會將輸入的參數值轉換為16進制。

修改結束后，通過SDO服務讀取電機參數的對象字典，可以發現參數值已經改變成重新設定的值，如圖 7（c）所示。

圖7 電機控制參數相關值Fig.7 Motor control parameter correlation values

5 結語

針對傳統CANopen設備調試繁瑣的問題，利用閑置的串口資源，設計了一個小型的調試系統，實現了上位機繞過CANopen服務主機，直接控制從機對電機進行調試，免去以往調試、修改、下載、再次調試的復雜操作。目前，該調試系統已在企業機械臂運動調試中投入應用，縮短了設備調試的時間，提高了工作效率。